Hurrikánok

Horváth Ákos

A hurrikánok kialakulásának négy lépcsője: trópusi hullámok, trópusi depressziók, trópusi viharok és a hurrikánok

A hurrikánok, főleg a műholdképeket nézve, látszólag hasonlítanak a mérsékelt égövi ciklonokhoz, azonban alapvetően más folyamatok alakítják a két légörvény szerkezetét (1. ábra). A mérsékelt égövi ciklonok a nyugati szelek övében hullámzó, hideg és meleg légtömegeket elválasztó frontok mentén alakulnak ki. Ezek a légörvények tekinthetőek a globális méretű nyugati szelek övében kialakuló hullámoknak (perturbációknak), melyek szerkezetében mindig megtalálhatóak a légtömegeket elválasztó időjárási frontok, vagy azok nyomai. A trópusi ciklonok ezzel szemben „alulról építkeznek”, az egyes zivatarok egymást erősítve hoznak létre zivatar rendszereket, zivatar láncokat, majd a zivatar vonalak fokozatosan fejlődnek forgó rendszerré, trópusi ciklonná.

A tenger felszíne a késő nyári, őszi időszakban éri el a trópusok közelében a legmagasabb hőmérsékletét, a vízfelszín hőmérséklete nagy területeken 24-26 C fokos is lehet. A meleg tengervíz az ebben az időszakban már hűlni kezdő légkörnek párologtatás útján (latens hő-áram formájában) adja át az energiáját. A meleg vízgőz a trópusi zivatarok legfőbb energiaforrása, így gyakran alakulnak ki a térségben zivatarok. A kialakuló zivatarból kifújó szél összetorlasztja a levegőt, ami elősegíti a következő zivatarcella kialakulását, így egy idő múlva nagyobb kiterjedésű zivatarrendszerek, zivatar gócok, zivatar vonalak alakulnak ki. Egy-egy erősebb góc több napon keresztül is fennmaradhat, így létrejönnek a trópusi hullámok.

A hosszan fennmaradó zivatargócok egyre nagyobb távolságból kezdik magukhoz szívni a levegőt. A Föld forgásából adódó eltérítő hatás miatt az északról délre, illetve a délről északra elmozduló légtömegek jobb kéz felé térülnek el (az un. Coriolis erő hatására), így amikor az összeáramlási ponthoz, vagyis a zivatarokhoz érnek, már egyfajta forgó mozgást váltanak ki (2. ábra). A forgató hatást csak fokozza, hogy az északról beáramló légtömegek a passzát szelekhez tartoznak, míg a délről jövők az Egyenlítőhöz vannak közelebb. Az Egyenlítőnél nincs semmiféle alapáramlás, a passzát szelek viszont határozott kelet-nyugati irányú áramlást jelentenek, vagyis az összeáramló levegőben az észak déli szélnyírás miatt még határozottabb lesz a forgás. Végül a zivatargóc lassú forgó mozgásba kezd, a forgás miatt a középpontban csökken a légnyomás. Innentől tehát már nem egy kaotikus zivatargóc, hanem jellegzetes nyomásstruktúrával rendelkező légörvény kezd kialakulni. Ha a forgó rendszerre jellemző átlagos szélerősség eléri a 40 km/h sebességet, akkor létrejön a trópusi depresszió.

A passzát öv déli oldalán nyugati irányba sodródó légörvény további sorsát az dönti el, hogy megmarad ebben a zónában, vagy esetleg északabbra vagy délebbre sodródik. Ha délebbre kerül az Egyenlítő közelébe, ott a forgó mozgást fenntartó Coriolis erő hatása eltűnik, és a rendszer széthullik egyedi zivatarokká, majd hamaros elhal. Ha északabbra kerül, akkor nagyobb az esélye annak, hogy a hidegebb tengervíz már nem képes elegendő tápanyagot biztosítani a zivataroknak, így a depresszió legyengülhet. Ha megmarad a passzát öv déli oldalán, a melegebb tengervíz fölött, akkor a rendszerben fennmaradnak a zivatarok és a forgás tovább növekszik, így a légörvény tovább erősödik. Ha a légörvényben a jellemző szél eléri a 62 km/h sebességet, akkor eljut a trópusi vihar állapotba.

A légörvény a trópusi vihar állapotából a már könnyen tovább erősödik, megjelenik a centrumot körülvevő vastag felhőöv, illetve a centrumban kialakul a hurrikán szeme. Ha a jellemző szélsebesség meghaladja a 118 km/h sebességet, akkor légörvény hurrikán állapotba kerül.

A hurrikánokat erősségük szerint öt kategóriába sorolják, az ún. Saffir–Simphson-skála alapján a hurrikán szemét körbeölelő felhőfalban fújó átlagos szél alapján.

Saffir-Simpson-féle hurrikán kategoriák

A legnevezetesebb 5. kategóriás hurrikánok közé tartozott a 2005-ben New Orleans-t sújtó Katrina nevű hurrikán (3. ábra), vagy az 1992-ben a floridai Miamira lecsapó Andrew. Ugyanakkor talán minden idők legtöbb emberéletét elragadó, Bangladest (akkor még Kelet-Pakisztánt) elpusztító 1970-es Bhola nevű tájfun csak 3-as kategóriájú volt.

A hurrikán működése: a természet hatalmas gőzgépe

A hurrikánban kettős cirkuláció figyelhető meg. Egyrészt a vihar forgása miatti (tangenciális) áramlás, amely az elsődleges meghatározó cirkuláció, másrészt a meleg nedves légtömegek beáramlása a centrum irányába (másodlagos cirkuláció). A légtömegek beáramlása a hurrikán forgó, spirálisan felcsavarodó karjai mentén történik (4. ábra). A karokban a centrum felé egyre erősödő zivatarok sorjáznak, amelyek a középpontot körülvevő gyűrűben találkoznak. A gyűrű egy „szuperzivatar”, ahol egységesen emelkedik a levegő és hull belőle a csapadék. A feláramló gyűrű középpontjában – a tömegmegmaradás biztosítására – egy erős leáramlási zóna alakul ki, amelyben (az adiabatikus melegedés miatt) meggyérül, esetleg feloszlik a felhőzet és kialakul a ciklon szeme. A ciklon szemében teljesen leállhat a szél, még a nap is kisüthet rövid időre.

A karokban, és mindenekelőtt a centrumot körülvevő gyűrűben, a folyamatos felhőképződéssel járó látens hőfelszabadulás következtében jóval magasabb a hőmérséklet, mint a hurrikán környezetében, így a trópusi viharoknak meleg magjuk van, szemben a mérsékelt égöv hideg magú ciklonjaival. A hurrikán magjában a légnyomás rendkívül alacsony, a legerősebb hurrikánokban akár 900 hPa alá is süllyedhet, így például 2005. október 19-én a Wilma nevű hurrikán központjában 882 hPa-t mértek. Összehasonlításul, a leghevesebb mérsékeltövi ciklonokban is csak ritkán süllyed a légnyomás a 950 hPa alá. A hurrikán fölött szétáramló és kiszáradó levegő a légörvénytől eltávolodva leáramlik, és a felhőoszlató hatásával lehetetlenné teszi, hogy bármely „konkurens” trópusi vihar a hurrikán közelébe kerüljön.

A hurrikán dinamikáját tekintve leginkább egy hőerőgéphez hasonlítható: a hőenergiát a meleg tenger adja, a hűtő szerepét a felhőpajzs látja el. A kettő között áramló nedves levegő, mint a meghajtó rendszer alakítja át a hőenergiát mechanikus energiává. Jó közelítéssel igaz, hogy minél forróbb a kazán, azaz minél melegebb a tengervíz, annál intenzívebb a hurrikán. Maga a folyamat jó közelítéssel egy a középiskolából ismert Carnot-féle termodinamikai körfolyamattal írható le (5. ábra). A középpont irányába haladó másodlagos cirkuláció először az alacsony nyomású mag felé szállítja a levegőt. A centrum felé közeledve a légnyomás csökkenésével a beáramló részecske hőmérséklete nem csökken, mivel a meleg tengervíz folyamatosan hőt (és nedvességet) ad át a levegőnek, tehát egy izoterm, hőfelvételi folyamat zajlik le. A ciklont körülvevő felhőfalban az emelkedő nedves légrészecske adiabatikus folyamaton megy keresztül: a hőmérséklete és nyomása jelentősen csökken, de az entrópiája nem változik. A magasba jutva a felhőpajzs egyrészt párolgásnak indul, másrészt kisugározza a hőt a világűrbe: a hőmérséklete nem változik, azonban kifelé sodródva süllyedni kezd, nyomása növekszik: izoterm hőleadás és entrópia csökkenés zajlik le. Végül a kiszáradt levegő ismét adiabatikusan áramlik le a tengerfelszín irányába, (jóval lassabban, mint ahogy felemelkedett), nyomása és a hőmérséklete emelkedik, és ezzel zárul a körfolyamat.

A tenger ugyan szinte kimeríthetetlen hőtartályával bőségesen biztosítja a hurrikán számára szükséges energiát, azonban bizonyos fokig kontroll alatt is tartja annak erősségét. Ha ugyanis a hurrikán szélereje olyan nagy, hogy az átkeveredés következtében a mélyebb rétegek hidegebb tengervize is a felszínre jut, akkor csökken a hőfelvétel és vihar kissé lecsendesedik. Mivel a ciklonban a levegő az óramutató járásával ellentétes (pozitív) irányba forog, így a haladási iránya szerinti jobb oldalán az áthelyeződési sebesség hozzáadódik a forgási sebességhez, vagyis a hurrikán jobb oldalán erősebb lesz a szél. A tenger ennek megfelelően a vihar jobb oldalán keveredik át erősebben és így ott hidegebb lesz a víz. Abban az esetben, ha a hurrikán a kontinensek közelében lévő sekélyebb tengerek fölé ér, ahol nincs hideg víz a felső meleg réteg alatt, ez a kontroll megszűnik. Valóban megfigyelhető, hogy a Karib-tenger, vagy a Mexikói-öböl, vagy éppen Ázsia keleti partjaihoz közeledve a sekélyebb tenger fölött a hurrikánok gyakran felerősödnek. Ezt tapasztalhattuk többek között a Harvey (2017. augusztus 17-31.), a Cindy (2017. június 20-32.), vagy a New Orleansra lecsapó Katrina (2005. augusztus 23-30.) esetén, de hasonló jelenség állhat fenn a Mexikói-öböl meleg vize felett hirtelen feléledő Nate (2017. október 6.) hurrikánnál is.

Mivel a hurrikánok energiájukat a tengerből merítik, jelentős gyengülés következik be akkor, amikor szárazföld fölé sodródnak. Ez a „landfall” néven emlegetett jelenség nem számottevő, ha csak kisebb szigetek felett vonul el a ciklon, azonban egy Kuba vagy Florida nagyságú terület már érezteti hatását. A kontinens fölé sodródva azonnal számottevően gyengülni kezd a hurrikán, azonban mocsaras, vizes, vagy éppen a korábbi esőzések miatt felázott nedves és meleg területek még hozzájárulhatnak ahhoz, hogy ha erősen legyengülve is, de valamennyire bejusson a kontinens fölé.

A hurrikán okozta tengerár

A hurrikán és a tenger kapcsolata kétoldalú: egyrészt a tenger táplálja a hurrikánt, másrészt a hurrikán erősen befolyásolja a tenger állapotát. Ilyen hatás a tenger vízszintjének megemelkedése. A már említett, a hurrikán központja felé tartó másodlagos cirkuláció hatására a szél a tengervizet is a vihar központja felé sodorja, helyileg akár 5-10 méterrel is megemelve a tengerszint átlagos magasságát. Főként a korall- és atollzátonyokra, valamint a sekély tengerpartok benyúló dűnesoraira lehet végzetes a tengerár. A tengerár hatása attól is függ, hogy a hurrikán útvonalában a part felé közeledve milyen gyorsan emelkedik a tengerfenék. A fokozatosan mélyülő tengerparton egy 4-es kategóriájú hurrikán 7 m magas tengerárat okozott, míg ugyanez a ciklon, ugyanilyen erősséggel egy gyorsan melyülő tengerparton csak 2,5–3 m tengeremelkedést idézett elő. Természetesen a tenger tagoltsága, az öblök és benyúló félszigetek ugyancsak hatással vannak a partközeli maximális tengeremelkedésre, hasonlóan, mint a földrengések által keltett szökőárak esetén. Az is előfordul, hogy a hurrikán által megemelt víztömeg a vihartól távol, egy csendes partszakaszon okoz váratlan vízszintemelkedést.

Az újkori történelem legtöbb emberáldozatát a már említett 1970-es Bhola nevű tájfun okozta, amelynek a tengerára a csapadékkal együtt szabályosan kiöntötte a rendkívül alacsonyan fekvő akkori Kelet-Pakisztánt, mintegy 500.000 ember életét követelve. Hasonlóan a New Orleansra 2005-ben lecsapó Katrina hurrikán is elsősorban a tengerárral és a csapadékkal együtt okozott tragédiát, mivel egyrészt megemelte a tengerszintet, másrészt a hatalmas esőzés felduzzasztotta a Mississippit. Legkevesebb 1500 ember vesztette életét a városban és a környéken, elsősorban amiatt, hogy a pontos előrejelzés ellenére a helyi politikusok és a hatóságok nem vették komolyan a veszélyt, nem ürítették ki a kritikus területeket. Az anyagi kárt 100 milliárd dollárra becsülték.

A hurrikánok utóélete

Mivel a hurrikán energiáját a tengervízből meríti, így ha a kontinens fölé sodródik, akkor nagyon gyorsan gyengülni fog, azonban a magával hozott nedvességgel még így is képes arra, hogy árvizeket okozó hatalmas esőzéseket hozzon létre, mielőtt végleg feloszlik.

A kifejlett hurrikánok egy része északnak sodródva eljut a nyugati szelek övébe, ahol sokat veszít erejéből, és bár nem hurrikán erősségű viharként, de még sokáig fenn tud maradni. A légörvény ilyenkor az energiáját már nem a tengervízből veszi, hanem az egyébként is gyakran labilis nyugati szelek övében, vagy kiváltó oka lesz egy újabb ciklonnak, vagy megerősít egy már létező mérsékelt övi légörvényt. Ez utóbbihoz ismét fel tudja használni a magával hozott meleg trópusi eredetű levegőt, amely a mérsékelt övi ciklonok fejlődéséhez nagyban hozzájárul. Egy ilyen, különösen „jól sikerült együttműködés” eredményeként jött létre 1991 októberében Kanada partjainál az a mérsékeltövi viharciklon, amely „szupervihar” (perfect storm) néven vált ismertté, és tragédiák sorozatát okozta a tengeri halászok körében. (Az esetről könyv, majd film is készült.) Európa északi területeit, ha ritkán is, de időnként elérik a még hurrikán erősségű ex-hurrikánok. Így 1961-ben a Debbie nevű hurrikán az Ír partoknál 183 km/h erősségű szelet okozott, de 1996-ban a Lili nevű hurrikán nyomán is 145 km/h szelet mértek a brit partoknál.

Európára nézve ugyancsak érdekes hogy az elmúlt években az Atlanti óceán keleti medencéjében, a passzát szelek vonalának északi határán is kialakultak trópusi viharok. 2005 hurrikánokban gazdag évében a Vince nevű hurrikánból megmaradt trópusi depresszió délnyugatról érte el a spanyol és portugál partokat. Vince tehát nem egy mérsékeltövi ciklonná alakult ex-hurrikán volt, hanem mint igazi trópusi vihar jelent meg Európa déli-atlanti partjainál.

Hurrikánok és a történelem

A hurrikánok néha közvetlenül is beleszólnak a történelem alakulásába. Így volt ez Japán esetében is. A rettegett mongol hódító, Kublai kán inváziós flottája először 1274-ben jelent meg a japán partoknál, ahol mintegy 40.000 embert, köztük 25.000 mongol lovast tettek egy fövenyes partszakaszra. A lovassággal szemben felkészületlen szamurájok elkeseredetten próbálták feltartani a kán seregét. A kán tapasztalt koreai hajósai azonban észrevették, hogy egy tájfun közelít a flotta horgonyzóhelyéhez. Nem akarván kockáztatni a hajók pusztulását, és így a sereg csapdába kerülését, azt tanácsolták a mongol parancsnokoknak, hogy mielőbb térjenek vissza a hajókra és próbáljanak biztosabb menedéket keresni, vagy legalább kifutni a nyílt tengerre. A mongolok megfogadták a tanácsot, de így is sok hajót zátonyra vetett a vihar, mások a nyílt tengeren süllyedtek el. Összesen mintegy 14.000 ember veszett a tengerbe, és Japán egy időre megmenekült. Kublai hét évvel később, Kína teljes meghódítása után, 1281-ben egy minden korábbinál nagyobb inváziós hadsereget hajózott be, ezúttal mintegy 140.000 emberrel, köztük 40.000 mongol lovassal. A japán szamurájok ezúttal azonban felkészültebben fogadták a hódítókat, és a kiépített védelmi rendszer miatt az inváziós csapatok nem tudtak maradéktalanul partra szállni, a szamurájok hat hétig sikerrel védték partjaikat. Ekkor jött az újabb tájfun, amely súlyosan megrongálta a flottát, és maga a kán is csak nehezen tudott visszatérni a kontinensre, otthagyva embereit. A mongolok soha többé nem jöttek vissza, a japánok pedig ezután kezdték használni a tájfunra az Isteni szél, a kamikaze megnevezést.

A már említett 1970-es tájfun okozta tengerár nyomán Kelet-Pakisztánban, mintegy 500.000 ember vesztette életét. A ciklont követő éhínség és elkeseredettség váltotta ki azt a mozgalmat, amely egy évvel később Banglades függetlenségének kikiáltásához (és mintegy 10 hónapos véres háborúhoz) vezetett.

Összefoglalás

A hurrikánok, mint a természet hatalmas gőzgépei elsősorban a trópusi területeken, de időnként a mérsékelt égövre is kihatóan végzik pusztító munkájukat. A légörvények a tenger és a légkör különös kölcsönhatása során jönnek létre. A statisztikák azt mutatják, hogy a hurrikánok száma hosszú évek során nem változik, de határozottan emelkedik a magasabb osztályú (erősebb) hurrikánok aránya. Hazai emberek számára alig felfogható erősségű folyamatokról van szó: a nálunk valaha mért legerősebb, a Bakonyt letaroló 172 km/h sebességű széllökés a hurrikánok 5-ös skáláján csak a 3-as kategória alján van. Ha ilyen erősségű, egész nap fújó átlagszél mellé még hozzávesszük, hogy pár óra alatt lehullik az egész éves hazai csapadékmennyiség (és mindez egyszerre zajlik az egész országban), akkor valamilyen formában képet kaphatunk egy átlagos hurrikánról.

Felhasznált irodalom

• Kerry A. Emanuel, 2005.: Divine Wind: The History and Science of Hurricanes, Oxford University Press, pp. 296, September 1, 2005
• J.R.Holton, 2004: An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press
• Andreas, E. L., and K. A. Emanuel, 2001: Effects of sea spray on tropical cyclone intensity. J. Atmos. Sci., 58, 3741-3751.
• Emanuel, K. A., 2000: A statistical analysis of hurricane intensity. Mon. Wea. Rev., 128, 1139-1152.
• Rotunno, R., J. B. Klemp, and M. L. Weisman, 1988: A theory for strong long-lived squall lines. J. Atmos. Sci., 45, 463-485.
• Lafore, J.-P., and M. W. Moncrieff, 1989: A numerical investigation of the organization and interaction of the convective and
  stratiform regions of tropical squall lines. J. Atmos. Sci., 46, 52-1544.
• Knutson, T. R., and Coauthors, 2010: Tropical cyclones and climate change. Nat. Geosci., 3, 157–163.
• Kieu, C.Q. and Zachary: Hurricane Intensity Predictability, 2016. BAMS Volume 97 No. 10.

 
1. ábra
A hurrikán (bal oldali ábra) és a mérsékelt övi ciklonok a műhold képek alapján hasonlónak látszanak,
azonban alapvetően eltérő folyamatok alakítják a légörvényeket.

2. ábra
A zivatarok nagy távolságokból gyűjtik a levegőt a passzát öv déli oldalán.
A zivatarok irányába (zA) áramló levegő a Coriolis erő hatására jobbra térül el és gyenge örvényt hoz létre.
Az örvény középpontjában a légnyomás csökken és kialakul a trópusi depresszió.

3. ábra
A Katrina hurrikán radar képe az USA Nemzeti Óceáni és Légköri Hivatal (NOAA) radarmérései alapján.

4. ábra
A hurrikán kettős cirkulációja. Az erősebb, érintő irányú áramlás mellett
megfigyelhető egy sugárirányú cirkuláció is, amely légtömeget szállít a ciklon centrumába.
A két cirkuláció eredője a ciklon karjai mentén történő spirális beáramlás.

5. ábra
A hurrikán termodinamikája a Carnot-ciklussal közelítve. Az AB szakaszon izoterm módon,
a tenger által fűtött levegő áramlik be az alacsony nyomású cikloncentrumba.
A beáramló légtest a tengertől hőt vesz át, az entrópiája (S) és a fajlagos térfogata (V) növekszik.
A BC szakaszon (a ciklon szeme körüli felhőfalban) adiabatikusan emelkedő telített levegő hőmérséklete és
nyomása csökken, entrópiája nem változik.
A CD szakaszon a hurrikán fölötti felhőpajzsról kisugárzódik a hő, a centrumtól szétáramló levegő nyomása
kissé növekszik, a hőmérséklete (a felhőtető hőmérséklete) nem változik, az entrópiája csökken.
A DA szakaszon adiabatikusan leáramló száraz levegő nyomása és hőmérséklete emelkedik, a folyamat izentróp.